CN114408051A - 一种带主动悬挂结构的三轮轻质探测采样轮式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，包括车体总成、前转向驱动轮总成单元、后驱动轮总成单元和控制单元，所述车体总成由车体上盖、车体底盘和铲斗机构组成；所述车体总成的前端设有前转向驱动轮总成单元，所述车体总成的后端设有后驱动轮总成单元，所述车体总成、前转向驱动轮总成单元、后驱动轮总成单元均与控制单元电性连接，本装置体积小、质量轻、结构紧凑，安装方便，可控性高，适用于复杂地形地貌小型探测采样轮式机器人；同时，本申请不使用机械臂，而通过轮毂的主动悬挂结构，配合车体上搭载的铲斗组件，借助轮毂驱动模块的驱动力和运动来实现采样；利用车身底盘上的存储仓和单相机构来实现样品的存储。

Description

一种带主动悬挂结构的三轮轻质探测采样轮式机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种带主动悬挂结构的三轮轻质探测采样轮式机器人。

背景技术

工业生产和科学研究的过程中，有时需要在一些条件比较恶劣，空间比较狭小的环境中进行探测和样品的采集，由于很难甚至不可能进行人工作业，这时就需要机器人进行辅助作业。

在现有技术和产品中，绝大多数采样机器人都使用“移动平台+机械臂”的方式来实现采样工作。但是现有使用机械臂的采样机器人都存在体积和重量较大、控制较为复杂和困难，在空间较为狭窄的环境下机械臂的工作会受到限制，采样效率较低甚至无法完成采样工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，包括车体总成、前转向驱动轮总成单元、后驱动轮总成单元和控制单元；

所述车体总成由车体上盖、车体底盘和铲斗机构组成；

所述车体底盘与车体上盖之间采用可拆卸连接，所述车体底盘包括存储仓和底盘外壳，所述存储仓的一侧设有铲斗机构；所述铲斗机构包括铲斗动力单元、锥齿轮、尼龙绳和铲斗，所述铲斗位于底盘外壳的底部，所述铲斗动力单元固定安装于存储仓顶部，所述锥齿轮通过轴承安装于存储仓顶部，所述锥齿轮的齿轮与铲斗动力单元的输出齿轮之间相互啮合，所述锥齿轮的轮柱上设有缠绕有若干个尼龙绳，所述尼龙绳的另一端与铲斗的前端固定，所述铲斗的后端与底盘外壳之间通过铰链连接；

所述车体总成的前端设有前转向驱动轮总成单元，所述车体总成的后端设有后驱动轮总成单元，所述车体总成、前转向驱动轮总成单元、后驱动轮总成单元均与控制单元电性连接。

作为优选，所述铲斗机构还包括张紧柱和支撑柱，所述张紧柱位于所述锥齿轮的两侧，所述支撑柱的两端安装于底盘外壳的内壁上，所述支撑柱位于所述铲斗的上方，所述尼龙绳依次绕过张紧柱、支撑柱后与铲斗的前端固定。

作为优选，所述铲斗机构还包括两块定位磁铁，其中一块定位磁铁位于所述铲斗后端底部，另一块定位磁铁位于所述底盘外壳的底部。

作为优选，所述存储仓上设有仓门机构，所述仓门机构包括仓门动力单元、仓门齿条和仓门，所述存储仓靠近铲斗的一侧设有仓门，所述仓门的两侧设有滑槽，所述仓门与滑槽之间活动连接，所述存储仓的顶部设有仓门动力单元，所述仓门动力单元的输出轮上设有仓门齿条，所述仓门齿条的另一端与仓门固定连接，所述仓门机构与控制单元电性连接。

作为优选，所述前转向驱动轮总成单元包括转向单元组件、转向轮悬挂单元组件和转向轮轮毂动力总成；

所述转向单元组件由动力单元、输出转接件、转向齿轮、悬挂齿轮盘和轴承组成，所述动力单元为为圆柱形结构，内部由电机和减速器组成，通过螺钉与输出转接件连接，并压在轴承内圈；所述转向齿轮通过螺钉安装在输出转接件上，并通过齿轮与悬挂齿轮盘配合；所述悬挂齿轮盘为板状结构，中心为内齿轮，外侧有过孔，通过螺钉与转向轮悬挂单元组件连接；

所述转向轮悬挂单元组件由转向轮悬挂动力单元和悬挂臂组成，所述转向轮悬挂动力单元通过外壳上的螺钉安装在悬挂齿轮盘上，两侧的悬挂臂一端与悬挂动力单元连接，另一端与转向轮轮毂动力总成连接；

所述转向轮轮毂动力总成由转向轮动力单元和转向轮轮毂组成，所述转向轮动力单元的外侧设有转向轮轮毂，两者通过螺钉连接，所述转向轮动力单元的两侧与悬挂臂相连接。

作为优选，所述后驱动轮总成单元包括驱动轮悬挂单元、驱动轮悬挂臂和驱动轮轮毂动力总成；

所述驱动轮悬挂单元为圆柱形结构，内部由电机和减速器组成，外侧边缘螺钉沉头孔，通过转接件与底盘外壳连接，输出轴通过螺钉与驱动轮悬挂臂连接；

所述驱动轮悬挂臂为长臂形结构，一端与驱动轮悬挂单元连接，另一端与驱动轮轮毂动力总成连接；

所述驱动轮轮毂动力总成由驱动轮动力单元和驱动轮轮毂组成，所述驱动轮动力单元的外侧设有驱动轮轮毂，两者通过螺钉连接，所述驱动轮动力单元的侧面与驱动轮悬挂臂相连接。

作为优选，所述车体上盖为立体式梯形壳状结构件，内部中空，底部边缘处设有若干个螺栓过孔；所述底盘外壳为壳状的结构件，顶部边缘处设有若干个安装螺栓孔。

作为优先，其特征在于：所述车体上盖的内部设有陀螺仪、配置相机和摄像头。

本发明的有益效果：

1、本装置体积小、质量轻、结构紧凑，安装方便，可控性高，适用于复杂地形地貌小型探测采样轮式机器人；同时，本申请不使用机械臂，而通过轮毂的主动悬挂结构，配合车体上搭载的铲斗组件，借助轮毂驱动模块的驱动力和运动来实现采样；利用车身底盘上的存储仓和单相机构来实现样品的存储。

2、本采样机器人由车体机构，一个前转向驱动轮和两个后驱动轮组成，三个轮毂之间完全独立，每个轮毂都有一套独立动力总成单元和主动悬挂总成单元，前转向轮还有一套独立的转向动力单元。其中，主动悬挂总成内部装有驱动电机和减速器，通过悬挂臂与轮毂的动力总成连接，机器人的控制单元可对每个轮的转速和支撑角度进行分别的控制，用以应对沙地、凸起和凹陷等复杂地形。

3、本采样机器人利用安装在车体总成结构上的陀螺仪，对车体的姿态角度进行实时监测；并由三个轮毂之间相对位置和支撑角度，以及转向监督进行随时调整；同时，配合车体底盘上的铲斗执行机构，实现挖掘、采集样品等动作。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1为采样机器人整体结构图；

图2为车体总成结构图；

图3为车体底盘结构图；

图4为铲斗机构结构图；

图5为定位磁铁位置示意图；

图6为仓门机构结构图；

图7为前转向驱动轮总成单元结构图；

图8为转向单元组件结构图；

图9为转向轮悬挂单元组件结构图；

图10为转向轮轮毂动力总成；

图11为后驱动轮总成单元；

图12为驱动轮轮毂动力总成；

图中：1-车体总成、2-前转向驱动轮总成单元、3-后驱动轮总成单元；11-车体上盖、12-车体底盘、13-铲斗机构、14-仓门机构；121-存储仓、122-底盘外壳；131-铲斗动力单元、132-锥齿轮、133-张紧柱、134-尼龙绳、135-支撑柱、136-铲斗；137-定位磁铁、141-仓门动力单元、142-仓门齿条、143-仓门；21-转向单元组件、22-转向轮悬挂单元组件、23-转向轮轮毂动力总成；211-动力单元、212-输出转接件、213-转向齿轮、214-悬挂齿轮盘；221-转向轮悬挂动力单元、222-悬挂臂；232-转向轮轮毂、233-转向轮动力单元；31-驱动轮悬挂单元、32-驱动轮悬挂臂、33-驱动轮轮毂动力总成、331-驱动轮动力单元、332-驱动轮轮毂。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参阅图1，本申请一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，包括车体总成1、前转向驱动轮总成单元2、后驱动轮总成单元3和控制单元；参阅图2，所述车体总成1由车体上盖11、车体底盘12和铲斗机构13组成；所述车体底盘12与车体上盖11之间采用可拆卸连接；参阅图3，所述车体底盘12包括存储仓121和底盘外壳122，所述存储仓121的一侧设有铲斗机构13；参阅图4，所述铲斗机构13包括铲斗动力单元131、锥齿轮132、尼龙绳134和铲斗136，所述铲斗136位于底盘外壳122的底部，所述铲斗动力单元131固定安装于存储仓121顶部，所述锥齿轮132通过轴承安装于存储仓121顶部，所述锥齿轮132的齿轮与铲斗动力单元131的输出齿轮之间相互啮合，所述锥齿轮132的轮柱上设有缠绕有若干个尼龙绳134，所述尼龙绳134的另一端与铲斗136的前端固定，所述铲斗136的后端与底盘外壳122之间通过铰链连接；所述车体总成1的前端设有前转向驱动轮总成单元2，所述车体总成1的后端设有后驱动轮总成单元3，所述车体总成1、前转向驱动轮总成单元2、后驱动轮总成单元3均与控制单元电性连接。本装置体积小、质量轻、结构紧凑，安装方便，可控性高，适用于复杂地形地貌小型探测采样轮式机器人。同时，本发明专利不使用机械臂，而通过轮毂的主动悬挂结构，配合车体上搭载的铲斗组件，借助轮毂驱动模块的驱动力和运动来实现采样。同时，利用车身底盘上的存储仓和单相机构来实现样品的存储。

其中，所述铲斗机构13还包括张紧柱133和支撑柱135，所述张紧柱133位于所述锥齿轮132的两侧，所述支撑柱135的两端安装于底盘外壳122的内壁上，所述支撑柱135位于所述铲斗136的上方，所述尼龙绳134依次绕过张紧柱133、支撑柱135后与铲斗136的前端固定；用于实现尼龙绳的张紧。

参阅图5，其中，所述铲斗机构13还包括两块定位磁铁137，其中一块定位磁铁137位于所述铲斗136后端底部，另一块定位磁铁137位于所述底盘外壳122的底部；用于实现铲斗开启后的固定。

参阅图6，其中，所述存储仓121上设有仓门机构14，所述仓门机构14包括仓门动力单元141、仓门齿条142和仓门143，所述存储仓121靠近铲斗136的一侧设有仓门143，所述仓门143的两侧设有滑槽，所述仓门143与滑槽之间活动连接，所述存储仓121的顶部设有仓门动力单元141，所述仓门动力单元141的输出轮上设有仓门齿条142，所述仓门齿条142的另一端与仓门143固定连接，所述仓门机构与控制单元电性连接；可用于实现存储仓121的开启关闭；

参阅图7，所述前转向驱动轮总成单元2包括转向单元组件21、转向轮悬挂单元组件22和转向轮轮毂动力总成23；参阅图8，所述转向单元组件21由动力单元211、输出转接件212、转向齿轮213、悬挂齿轮盘214和轴承215组成，所述动力单元为211为圆柱形结构，内部由电机和减速器组成，通过螺钉与输出转接件212连接，并压在轴承215内圈；所述转向齿轮213通过螺钉安装在输出转接件212上，并通过齿轮与悬挂齿轮盘214配合；所述悬挂齿轮盘214为板状结构，中心为内齿轮，外侧有过孔，通过螺钉与转向轮悬挂单元组件22连接；参阅图9，所述转向轮悬挂单元组件22由转向轮悬挂动力单元221和悬挂臂222组成，所述转向轮悬挂动力单元221通过外壳上的螺钉安装在悬挂齿轮盘214上，两侧的悬挂臂222一端与悬挂动力单元221连接，另一端与转向轮轮毂动力总成23连接；参阅图10，所述转向轮轮毂动力总成23由转向轮动力单元233和转向轮轮毂232组成，所述转向轮动力单元233的外侧设有转向轮轮毂232，两者通过螺钉连接，所述转向轮动力单元233的两侧与悬挂臂222相连接。参阅图11，所述后驱动轮总成单元3包括驱动轮悬挂单元31、驱动轮悬挂臂32和驱动轮轮毂动力总成33；所述驱动轮悬挂单元31为圆柱形结构，内部由电机和减速器组成，外侧边缘螺钉沉头孔，通过转接件与底盘外壳122连接，输出轴通过螺钉与驱动轮悬挂臂32连接；所述驱动轮悬挂臂32为长臂形结构，一端与驱动轮悬挂单元31连接，另一端与驱动轮轮毂动力总成33连接；参阅图12，所述驱动轮轮毂动力总成33由驱动轮动力单元331和驱动轮轮毂332组成，所述驱动轮动力单元331的外侧设有驱动轮轮毂332，两者通过螺钉连接，所述驱动轮动力单元331的侧面与驱动轮悬挂臂32相连接。

本采样机器人由车体机构，一个前转向驱动轮和两个后驱动轮组成，三个轮毂之间完全独立，每个轮毂都有一套独立动力总成单元和主动悬挂总成单元，前转向轮还有一套独立的转向动力单元。其中，主动悬挂总成内部装有驱动电机和减速器，通过悬挂臂与轮毂的动力总成连接，机器人的控制单元可对每个轮的转速和支撑角度进行分别的控制，用以应对沙地、凸起和凹陷等复杂地形。

所述车体上盖11为立体式梯形壳状结构件，内部中空，底部边缘处设有若干个螺栓过孔；所述底盘外壳122为壳状的结构件，顶部边缘处设有若干个安装螺栓孔。所述车体上盖11的内部设有陀螺仪、配置相机、摄像头等多种传感器，用于实现各种额外辅助功能。

实施例1：

机器人直线行驶时，机器人的控制单元分别控制前转向驱动轮2上的轮毂动力总成23和后驱动轮3上的轮毂动力总成33同速转动，车辆直线行驶。当机器人需要转弯时本实施例以左转为例，右转时亦然，首先控制前转向驱动轮2上的转向单元21驱动前轮旋转一定角度，此时机器人开始转弯，同时控制右侧的后驱动轮转速大于左侧，此时车体将向左侧转，转动角度和速度由车体控制系统控制。同时调节三个轮毂的支撑角度，以应对转弯时车身侧倾，保证转弯时车身平稳。

实施例2：

机器人遇到障碍物时，本实施例以左侧遇到凸起为例，当右侧或中间遇到障碍物，或凹陷等其他地形时，以此实施例为参照。首先控制前转向驱动轮总成单元2绕过障碍物，当左侧后驱动轮遇到障碍物时，控制左后轮转速提高，同时左后轮驱动轮悬挂臂32控制车身左前方支撑臂与车身角度变小，其余两轮转速和支撑角度不变，越过障碍物后，再恢复支撑装置状态和轮毂转速。当前轮无法绕过障碍物，可依次示例，控制前轮越过障碍物。

实施例3：

机器人需要采集样品时，首先，前转向驱动轮总成单元2控制悬挂臂222支撑角度降低，同时两后轮的驱动轮悬挂臂32控制支撑臂与车体角度抬高，使车身呈前低后高的倾斜姿态。随后，铲斗动力单元131带动锥齿轮132旋转，缠绕在锥齿轮132轮柱上的尼龙绳134放松，铲斗136在重力和定位磁铁137作用下打开，完全打开后铲斗的定位磁铁137和底盘外壳122上的定位磁铁137完全吸住；采集时，前轮和后轮轮毂动力单元推动车体整体向前运动，配合铲斗136完成铲挖动作，此时定位磁铁137的吸引力用以克服铲挖时的阻力。采集完成后，铲斗动力单元131带动锥齿轮132转动，收紧尼龙绳134，使铲斗136向上翻转，将采集的样品收入车内。同时，前轮主动悬挂总成231驱动前支撑臂角度抬高，后两轮支撑角度降低，使车身呈前高后低的姿态，同时铲斗136持续向上翻转，存储仓仓门动力单元141启动，带动仓门齿条142和仓门143打开，将采集的样品导入存储仓121中。仓门动力单元141反转，闭合存储仓仓门143，采样完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：包括车体总成（1）、前转向驱动轮总成单元（2）、后驱动轮总成单元（3）和控制单元；

所述车体总成（1）由车体上盖（11）、车体底盘（12）和铲斗机构（13）组成；

所述车体底盘（12）与车体上盖（11）之间采用可拆卸连接，所述车体底盘（12）包括存储仓（121）和底盘外壳（122），所述存储仓（121）的一侧设有铲斗机构（13）；所述铲斗机构（13）包括铲斗动力单元（131）、锥齿轮（132）、尼龙绳（134）和铲斗（136），所述铲斗（136）位于底盘外壳（122）的底部，所述铲斗动力单元（131）固定安装于存储仓（121）顶部，所述锥齿轮（132）通过轴承安装于存储仓（121）顶部，所述锥齿轮（132）的齿轮与铲斗动力单元（131）的输出齿轮之间相互啮合，所述锥齿轮（132）的轮柱上设有缠绕有若干个尼龙绳（134），所述尼龙绳（134）的另一端与铲斗（136）的前端固定，所述铲斗（136）的后端与底盘外壳（122）之间通过铰链连接；

所述车体总成（1）的前端设有前转向驱动轮总成单元（2），所述车体总成（1）的后端设有后驱动轮总成单元（3），所述车体总成（1）、前转向驱动轮总成单元（2）、后驱动轮总成单元（3）均与控制单元电性连接。

2.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：所述铲斗机构（13）还包括张紧柱（133）和支撑柱（135），所述张紧柱（133）位于所述锥齿轮（132）的两侧，所述支撑柱（135）的两端安装于底盘外壳（122）的内壁上，所述支撑柱（135）位于所述铲斗（136）的上方，所述尼龙绳（134）依次绕过张紧柱（133）、支撑柱（135）后与铲斗（136）的前端固定。

3.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：所述铲斗机构（13）还包括两块定位磁铁（137），其中一块定位磁铁（137）位于所述铲斗（136）后端底部，另一块定位磁铁（137）位于所述底盘外壳（122）的底部。

4.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：所述存储仓（121）上设有仓门机构（14），所述仓门机构（14）包括仓门动力单元（141）、仓门齿条（142）和仓门（143），所述存储仓（121）靠近铲斗（136）的一侧设有仓门（143），所述仓门（143）的两侧设有滑槽，所述仓门（143）与滑槽之间活动连接，所述存储仓（121）的顶部设有仓门动力单元（141），所述仓门动力单元（141）的输出轮上设有仓门齿条（142），所述仓门齿条（142）的另一端与仓门（143）固定连接，所述仓门机构与控制单元电性连接。

5.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：所述前转向驱动轮总成单元（2）包括转向单元组件（21）、转向轮悬挂单元组件（22）和转向轮轮毂动力总成（23）；

所述转向单元组件（21）由动力单元（211）、输出转接件（212）、转向齿轮（213）、悬挂齿轮盘（214）和轴承组成，所述动力单元为（211）为圆柱形结构，内部由电机和减速器组成，通过螺钉与输出转接件（212）连接，并压在轴承内圈；所述转向齿轮（213）通过螺钉安装在输出转接件（212）上，并通过齿轮与悬挂齿轮盘（214）配合；所述悬挂齿轮盘（214）为板状结构，中心为内齿轮，外侧有过孔，通过螺钉与转向轮悬挂单元组件（22）连接；

所述转向轮悬挂单元组件（22）由转向轮悬挂动力单元（221）和悬挂臂（222）组成，所述转向轮悬挂动力单元（221）通过外壳上的螺钉安装在悬挂齿轮盘（214）上，两侧的悬挂臂（222）一端与悬挂动力单元（221）连接，另一端与转向轮轮毂动力总成（23）连接；

所述转向轮轮毂动力总成（23）由转向轮动力单元（233）和转向轮轮毂（232）组成，所述转向轮动力单元（233）的外侧设有转向轮轮毂（232），两者通过螺钉连接，所述转向轮动力单元（233）的两侧与悬挂臂（222）相连接。

6.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：所述后驱动轮总成单元（3）包括驱动轮悬挂单元（31）、驱动轮悬挂臂（32）和驱动轮轮毂动力总成（33）；

所述驱动轮悬挂单元（31）为圆柱形结构，内部由电机和减速器组成，外侧边缘螺钉沉头孔，通过转接件与底盘外壳（122）连接，输出轴通过螺钉与驱动轮悬挂臂（32）连接；

所述驱动轮悬挂臂（32）为长臂形结构，一端与驱动轮悬挂单元（31）连接，另一端与驱动轮轮毂动力总成（33）连接；

所述驱动轮轮毂动力总成（33）由驱动轮动力单元（331）和驱动轮轮毂（332）组成，所述驱动轮动力单元（331）的外侧设有驱动轮轮毂（332），两者通过螺钉连接，所述驱动轮动力单元（331）的侧面与驱动轮悬挂臂（32）相连接。

7.如权利要求1所述的一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：所述车体上盖（11）为立体式梯形壳状结构件，内部中空，底部边缘处设有若干个螺栓过孔；所述底盘外壳（122）为壳状的结构件，顶部边缘处设有若干个安装螺栓孔。

8.如权利要求7所述的一种带主动悬挂结构轻质的三轮式探测采样机器人，其特征在于：所述车体上盖（11）的内部设有陀螺仪、配置相机和摄像头。

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